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1、适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器第40卷第1期2010年1月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)Vo1.40NO.1Jan.2010doi:10.3969.issn.10010505.2010.01.023适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器戴金桥王爱民宋爱国李建清(东南大学仪器科学与工程学院,南京210096)摘要:为了克服目前力反馈数据手套存在的安全性差,力再现范围小等不足,提出了一种磁流变液被动力觉驱动器实现方法.利用液体智能材料磁流变液在磁场作用下毫秒级时间内能连续,可逆地由牛顿流体状态转变
2、为类似固体状态的特殊性能,设计了一种被动力觉驱动器;介绍了该驱动器的结构和实现原理,利用电磁场有限元分析方法分析了驱动器的电磁特性,在此基础上建立了驱动器的动力学模型,讨论了输出力的动态范围并进行初步实验验证.最后利用研制的驱动器原型构建了单手指力反馈数据手套并进行了初步实验.实验结果证明,基于磁流变液的被动力觉驱动器利用流体传递力,增加了输出力的稳定性,多旋转片结构使输出力增大2倍,并具有安全性好,力再现范围大等优点.关键词:被动力觉驱动器;磁流变液;力反馈数据手套中图分类号:TP24文献标志码:A文章编号:100l一0505(2010)01-0123-05Passiveforceactua
3、torforforcefeedbackdatagloveDaiJinqiaoWangAiminSongAiguoLiJianqing(SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Toovercometheexistingdeficiencyinforcefeedbackdataglove,suchaspoorsecurity,insufficiencyofforceforfeedback,andSOon,apassiveforceactuatorbasedonm
4、agnetorheologicalfluid(MRF)forforcefeedbackdatagloveispresented.Utilizingthespecialpropertiesofthemagneto.rheologicalfluidthatthestatecanchangefromfluidtosolid-likecontinuouslyandreversiblyinseveralmillisecondswhenexposedtoamagneticfield,apassiveforceactuatorwasdesigned.Thestructureandtheprinciplear
5、eintroduced.Theelectromagneticpropertyoftheactuatorisanalyzedbyelectromagneticfiniteelementanalysis,onthisbasisthekineticsmodelisdeveloped,theoutputforcerangeisdiscussedandthepreliminaryexperimentisdone.Theforcefeedbackdataglovewasfabricatedbytheactuatordevelopedforsinglefingerandtheprimaryexperimen
6、tsweredone.TheresultsverifythatduetoforcetransmissionofthepassiveforceactuatorbasedonMRFbyrheologicalfluidthestabilityoftheoutputforceisincreased;theOUtOutforcecanbedoubledbyusingmultidiscstructure:inaddition,ithasthemeritsofgoodsecurity,largerextentofforcefeedback,etc.Keywords:passiveforceactuator;
7、magnetorheologicalfluid;forcefeedbackdataglove力反馈数据手套是一种通用并且重要的人机交互接口装置,不同于标准的人机接口设备(键盘,鼠标),它能够使操作者以自然的方式与计算机进行交互.目前,唯一的商业化力反馈数据手套是由美国Immersion公司生产的CyberGrasp,该力反馈数据手套由电机驱动,在每个手指上能够产生12N的力.一种非商业化力反馈数据手套是由美国Rutgers大学研制的RMI/ND,该力反馈数据手套集手的姿态测量与力反馈于一体,与CyberGrasp相比其质收稿日期:2009-06-05.作者简介:戴金桥(1973一),男,博士,
8、daijinqiao;2E爱民(联系人),男,博士,教授,wangamseu.edu.ca.基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA01Z314,2009AAO1Z311),国家自然科学基金资助项目(6067504760775057).引文格式:戴金桥,王爱民,宋爱国,等.适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器J.东南大学学报:自然科学版,2010,40(1):123127.doi:10.3969/j.issn.10010505.2010.01.023124东南大学学报(自然科学版)第40卷量较小,只有100g,静态摩擦力只有0.014N,还具有动态范围大,输出力大等
9、优点,但该装置是压缩空气驱动,因此必须配备产生压缩空气的设备.这些力反馈数据手套大多是由伺服电机,压缩空气或电磁场等驱动的主动系统,一旦出现故障,容易给操作者造成伤害;稳定性差,使力反馈性能大打折扣;体积大以至于不适合用于力反馈系统.而被动力反馈驱动系统是能量耗散的,本身具备稳定性特点,不会对操作者造成伤害,比同体积主动力反馈系统反馈的力要大得多_3J.为此Rutgers大学的Winter等利用磁流变液作为功能材料,设计了适用于手部康复用力反馈数据手套J.其力觉驱动器克服了主动力觉驱动器的缺点,具有体积小,重量轻,输出力大等优点,但静态摩擦力达1.41.9N,严重影响了其力反馈性能.中科院北京
10、自动化所原魁教授研制了一种力反馈数据手套J,通过电磁驱动实现力反馈.哈尔滨科技研究所气动中心研制了基于气动人工肌肉的力反馈数据手套J,由于人工肌肉的响应较慢,所以该力反馈数据手套的实时I生相对较差.本课题组研制了基于电流变液的力反馈数据手套,由于电流变液屈服应力小,容易受生产和使用环境污染导致性能下降,使得该力反馈数据手套实用性受到限制.本文提出了一种基于磁流变液被动力觉驱动器实现方法,讨论了其电磁特性,建立了动力学模型,分析了动态范围并进行实验验证,以该驱动器为基础构建了单手指力反馈数据手套并进行了初步实验,实验结果验证了所提出方法的有效性.该力觉驱动器具有体积小而输出力范围大,稳定性好,摩
11、擦力小,便于携带等优点,具有较好的应用前景.1被动力觉驱动器1.1磁流变液磁流变液是一种液体智能材料,施加磁场后其流变学特性将会发生剧烈的变化,能够在几毫秒时间内由液态转变成类似固体状态,这种变化过程连续,可逆并且能耗极小.不施加磁场时,磁流变液表现为牛顿流体的特性,而在磁场的作用下,则以Bingham塑料模型来表征l8J,即丁=丁v()+>v(1)式中,为剪应力;丁为由磁场引起的屈服应力;为零磁场磁流变液具有的黏度;为剪切率;B为磁感应强度.1.2驱动器结构原理驱动器结构如图1所示,由壳体,固定盘,旋转盘,绝磁环,线圈,轴等部件组成.在壳体和绝磁环围成的腔体内注满磁流变液,固定盘固定于
12、壳体上,旋转盘固定于轴上并可随轴在腔体内转动,线圈通电时产生的磁场经壳体垂直通过旋转盘和固定盘,旋转盘与壳体及固定盘之间的磁流变液黏度变大,旋转时产生的阻尼力传递到轴上,产生被动输出力.壳体,固定盘和旋转盘都采用导磁率很高的电工纯铁,绝磁环,轴采用绝磁材料,这样就能保证线圈产生的磁场能量大部分施加到工作间隙的磁流变液七.图1驱动器剖面图图1所示力觉驱动器是文献9结构的改进形式,具有如下优势:多旋转盘结构在体积增加不多的情况下,磁流变液的剪切面积增大近1倍,在工作间隙磁场强度相同的条件下,输出力增大近1倍.双出杆形式增加了输出力的稳定性.1.3驱动器电磁特性分析为了验证驱动器结构设计的合理性和磁
13、路设计的有效性,可以利用电磁场理论进行分析,但由于磁流变液,电工纯铁等材料电磁特性的高度非线性,求解Maxwell方程组难度很大,即便能够求得其解,由于磁泄漏和周围环境等因素的影响,其解的误差也相当大.而电磁场有限元分析方法是一种数值解法,充分考虑了磁泄漏等因素的影响,其解具有很好的精确性,下面就利用有限元分析方法对驱动器电磁特性进行分析.驱动器的电磁场有限元分析结果如图2所示,其中线圈的磁动势为200安匝(线圈匝数与通过线圈电流的乘积),H为磁场强度.从图中可以看出,磁路中的大部分能量都落到工作间隙的磁流变液上,磁感应强度最大部分没有超过电工纯铁的饱和磁感应强度,而工作间隙已基本上达到磁流变
14、液的饱和磁感应强度.因此,驱动器的结构和磁路设计均较为合理,能够满足使用要求.第1期戴金桥,等:适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器125(a)磁感应强度(b)磁场强度图2驱动器的电磁场有限元分析磁流变液的屈服应力与磁感应强度存在一定的对应关系,工作间隙磁感应强度是电流的函数,所以磁流变液的屈服应力是线圈施加电流的函数.根据驱动器电磁场有限元分析的结果,工作间隙的磁感应强度与输入电流的关系如图3所示.对电磁场有限元分析结果进行曲线拟合,得到输入电流,与磁感应强度B的关系为曰=一0.0071130.2513I2+0.941710.031(2)O.0?.图3输入电流与磁感应强度关系1.4驱动器动力
15、学建模本文提出的驱动器建模方法与文献91中的方法类似,本文只列出驱动器的动力学模型,即ro=4订(rd03+一i一3)7I+(+一t一)+(3)式中,为驱动器输出力;rdo和rd分别为旋转盘与固定盘之间工作间隙的外径和内径;rso和rs分别为旋转盘与壳体之间工作问隙的外径和内径;为旋转盘的转速;为工作间隙的宽度;为装置的摩擦力,主要由密封圈产生.将式(1),(2)代人式(3),即可得出输出力随输入电流之间的变化关系.1.5驱动器动态范围驱动器的输出力可以表示为ro:+(4)式中,为磁流变液的剪切力;为磁流变液动力黏度产生的力.在驱动器输出力中,只有是有益阻尼力,而和都是非有益阻尼力,因此驱动器
16、动态范围为71丁赢+南5)驱动器是旋转式的,内部无压力作用,要求密封圈的压缩量很小,由密封圈产生的摩擦力很小.驱动器是适用于力反馈数据手套的,手指的转动速度不大,由磁流变液动力黏度引起的非有益阻尼力也很小.因此,驱动器具有较大的动态范围.1.6实验验证实验结果如图4所示,从结果中可以看出,理论值与实验值基本吻合,从而验证了驱动器动力学模型的正确性.驱动器的静摩擦力约为0.3N,相对最大输出力约6N可以忽略不计.另外,驱动器的动态范围比较大,其动态变化系数最大约为2O.图4输入电流与输出力关系曲线为了验证驱动器的稳定性,对驱动器进行了阶跃响应实验,实验结果如图5所示.由图可见,本文驱动器比文献1
17、2所述的电磁干摩擦式制动器更具稳定性.图5驱动器阶跃响应2力反馈数据手套利用研制的驱动器,在已有数据手套的基础上,研制了单指被动力反馈数据手套,如图6所示.6554433221126东南大学学报(自然科学版)第40卷图6单指力反馈数据手套实物该力觉手套工作过程为:数据手套通过测量手指的弯曲程度控制虚拟手或远程机械手动作,虚拟手或远程机械手与环境相互作用所受的力传递到操作者处,给驱动器施加一定电流,手指围绕驱动器转动时将受阻尼作用,产生力反馈效果.3力觉再现实验3.1实验系统建立实验系统示意图如图7所示,主端由单指力反馈数据手套,控制单元,控制计算机及直流可控电流源组成,从端由电机,支架,从臂,
18、力矩传感器和控制单元,控制计算机组成.操作者穿戴力反馈数据手套,手指作弯曲运动时,主端控制单元采集数据手套手指弯曲姿态并将该信息通过主端控制计算机传输到从端控制计算机控制电机转动,当从臂接触到物体时,从端控制单元采集力传感器数据,该力信息传到主端,通过主端控制单元控制直流可调电流源工作,给数据手套的力觉驱动器施加电流,操作者受到一个被动力作用,从臂和操作者受力用F表示.箍磁流变液力传感函直流可调电流与控制器图7实验系统示意图3.2柔顺弹性体力跟踪实验分别取3块弹性系数不同的海绵样本置于从臂工作环境,操作者操作数据手套控制从臂接触并压缩海绵样本,设横坐标为压缩海绵的深度D,利用从臂力矩传感器记录
19、海绵样本所受的压力,利用数据手套的力矩传感器记录操作者手指受的力并进行对比,实验结果如图8所示.D,em(b)中等弹性系数Dem(c)高弹性系数图8柔顺弹性体力跟踪实验从图8可以看出,在力反馈数据手套跟踪从臂接触并压缩柔顺弹性体时,初始接触相对误差比较大,即在01cm深度时力反馈数据手套力跟踪失真较大,主要是因为当从臂受力小于力反馈数据手套的摩擦力时,从臂受力将会被”淹没”掉.随着深度不断增大,力也不断增大,力跟踪相对误差逐渐减小,模拟中等和高弹性系数海绵时该误差可以忽略不计.从臂压缩低弹性系数海绵时接触力小,与力反馈数据手套的摩擦力相比无法忽略,因此力反馈数据手套模拟低弹性系数物体时出现较大
20、失真.当压缩深度接近5em时也出现了较大的失真,由于从臂压缩海绵的力很大,已超过力反馈数据手套的力觉驱动器输出力最大值.另外,从臂压缩海绵的力与深度呈非线性,这是因为海绵的弹性系数是非线性的.3.3硬度再现实验硬度再现实验结果如图9所示.在力反馈数据手套再现硬物时,当接触力小于或等于力觉驱动器提供的最大力时,力反馈数据手套能较好地再现实际接触力,如图9(a),(b)所示.当实际接触力大于力觉驱动器提供的最大力时,如图9(c)所示,操第1期戴金桥,等:适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器127作者感觉到的力为力反馈数据手套能够提供的最大力,力再现出现失真.Zt/s8765Z432104结论t/s
21、(b)硬物接触力6N,_-_-_-._-.一一一-一一一一一一一一一_一一一一一从臂受力-操作者受力lIIO51O152O25t/s(c)硬物接触力7N图9硬物接触力再现1)力觉驱动器通过流体而不是通过机械摩擦传递力,有效地增大了驱动器的稳定性.2)采用多盘式结构使得磁流变液剪切面积是单盘的2倍,因此在体积略有增加情况下传递力提高1倍,力动态范围大大提高.3)由磁流变液驱动器研制的力反馈数据手套能够有效地实现柔顺性再现,并在一定程度上实现硬物接触力再现,具有稳定,安全,摩擦力小,力反馈范围大等优点,与现有的力反馈数据手套相比,它重量较轻,便于携带,持续力大.4)虽然被动力觉驱动器及被动力反馈数
22、据手套具有安全,稳定,再现力大等优点,但无法实现储能元件的再现.可以预计:基于磁流变液力觉驱动器及以其为基础的力反馈数据手套具有较好的应用前景,也为力反馈数据手套的研究提供了一种全新的思路.参考文献(References)f1AbateAF,GuidaMariano,LeonciniPaolo,eta1.AhapticbasedapproachtovirtualtrainingforaerospaceindustryJ.JournalofVisualLanguages&Computing,2009,20(5):318325.2BoutM,BurdeaG,PopescuG,eta1.Th
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